【正文】 AB公司，產(chǎn)品都向系列化、模塊化、高性能和成套性方向發(fā)展。它們的數(shù)控系統(tǒng)都采用了 16 位和 32 位微機(jī)處理機(jī)、標(biāo)準(zhǔn)總線及軟件模塊和硬件模塊結(jié)構(gòu)，內(nèi)存容量擴(kuò)大到 1MB 以上，機(jī)床分辨率可達(dá) 微米，高速進(jìn)給可達(dá) 100m/min,控制軸數(shù)可達(dá) 16 個(gè)，并采用先進(jìn)的電裝工藝。 在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)方面，交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)發(fā)展迅速。交流傳動(dòng)已由模擬式向數(shù)字式方向發(fā)展，以運(yùn)算放大 器等模擬器件為主的控制器正在被以微處理器為主的數(shù)字集成元件所取代，從而克服了零點(diǎn)漂移、溫度漂移等弱點(diǎn)。 五、數(shù)控機(jī)床改造的意義 數(shù)控機(jī)床改造在國(guó)外已發(fā)展成一個(gè)新興的工業(yè)部門(mén)，早在 60 年代已經(jīng)開(kāi)始迅速發(fā)展，其發(fā)展的原因是多方面的，主要有技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、市場(chǎng)和生產(chǎn)上的原因。我國(guó)是擁有300 多萬(wàn)臺(tái)機(jī)床的國(guó)家。而這些機(jī)床又大多是多年累積生產(chǎn)的通用機(jī)床，不論資金和我國(guó)機(jī)床制造廠的能力都是辦不到的。因此，盡快將我國(guó)現(xiàn)有一部分普通機(jī)床實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和精密化改裝，是我國(guó)現(xiàn)有設(shè)備技術(shù)改造迫切要求解決的課題。用數(shù)控技術(shù)改造機(jī)床，正是適 應(yīng)了這一要求。它是建立在微電子現(xiàn)代技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)相結(jié)合的基礎(chǔ)上。在機(jī)床改造中引入微機(jī)的應(yīng)用，不但技術(shù)上具有先進(jìn)性，同時(shí)，在應(yīng)用上比其它傳統(tǒng)的自動(dòng)化改裝方案，有較大的通用性與可調(diào)性。而且所投入的改造費(fèi)用低，一套經(jīng)濟(jì)型數(shù)控裝置的價(jià)格僅為全功能數(shù)控裝置的 1/3 至 1/5，用戶承擔(dān)的起。從若干單位成功應(yīng)用的實(shí)例可以證明，投入使用后，確實(shí)成倍地提高了生產(chǎn)效率，減少了廢品率，取得了顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。因此，我國(guó)提出從大力推廣經(jīng)濟(jì)型數(shù)控這一中間技術(shù)的基礎(chǔ)上，再逐步推廣全功能數(shù)控這條道路，適合我國(guó)的經(jīng)濟(jì)水平、教育水平和生產(chǎn)水 平，已成為我國(guó)設(shè)備技術(shù)改造主要方向之一。同時(shí)，它還可以作為全功能數(shù)控機(jī)床應(yīng)用的準(zhǔn)備階段，為今后使用全功能數(shù)控機(jī)床，培養(yǎng)人才，積累維護(hù)、使用經(jīng)驗(yàn)，而且也是實(shí)現(xiàn)我國(guó)傳統(tǒng)的機(jī)械制造技術(shù)朝機(jī)電一體化的方向過(guò)渡的主要內(nèi)容之一。 第一章 CA6140 車(chē)床 微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案 的擬定 數(shù)控技術(shù)是先進(jìn)制造技術(shù)的核心，是制造業(yè)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化、柔性化、集成化的基礎(chǔ)。數(shù)控裝備的整體水平標(biāo)志著一個(gè)國(guó)家工業(yè)現(xiàn)代化水平和綜合國(guó)力的強(qiáng)弱。機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)總體方案的擬定應(yīng)包括以下內(nèi)容：系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式的確定，伺服系統(tǒng)的選擇、執(zhí)行 機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)及傳動(dòng)方式的確定，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的選擇等內(nèi)容。 一般應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)和要求提出數(shù)個(gè)總體方案，進(jìn)行綜合分析、比較和論證，最后確定一個(gè)可行的總體方案 。 5 11 總體方案確定 一 、 系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方式與伺服系統(tǒng)的選擇 由于改造后的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控銑床應(yīng)具有定位、直線插補(bǔ)、順、逆圓插補(bǔ)、暫停、循環(huán)加工、公英制螺紋加工等功能，由于在銑削加工中，要求工作臺(tái)或刀具沿各坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)有確定的函數(shù)關(guān)系，即刀具以給定的速率相對(duì)于工件沿加工路徑運(yùn)動(dòng)，所以不能選用點(diǎn)位系統(tǒng)，因?yàn)辄c(diǎn)位控制系統(tǒng)要求工件相對(duì)于刀具移動(dòng)過(guò)程中不進(jìn)行切削。因此，應(yīng) 選用連續(xù)控制系統(tǒng)。 X52K 型銑床改造屬于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床，加工精度要求不高，為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，降低成本，采用步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)，因閉環(huán)控制系統(tǒng)適用于精度要求較高的機(jī)床設(shè)計(jì)，且閉環(huán)控制系統(tǒng)的造價(jià)昂貴。 二 、 計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 根據(jù)機(jī)床要求，采用 8 位微機(jī)。由于 MCS51 系列單片機(jī)具有集成度高、可靠性好、功能強(qiáng)、速度快、抗干擾能力強(qiáng)、具有很高的性能價(jià)格比等特點(diǎn)，因此采用 MCS51 系列的 8031 單片機(jī)擴(kuò)展系統(tǒng)。 控制系統(tǒng)由微機(jī)部分、鍵盤(pán)及顯示器、 I/O 接口及光電隔離電路、步進(jìn)電機(jī)功率放大電路等組成。系統(tǒng)的加工程序和控制命 令通過(guò)鍵盤(pán)操作實(shí)現(xiàn)，顯示器采用數(shù)碼管顯示加工數(shù)據(jù)及機(jī)床狀態(tài)等信息。 三、 機(jī)械傳動(dòng)方式 為實(shí)現(xiàn)機(jī)床所要求的分辨率，采用步進(jìn)電機(jī)齒輪減速再傳動(dòng)絲杠，為保證一定的傳動(dòng)精度和平穩(wěn)性，盡量減小摩擦力，選用滾珠絲杠螺母副以及滾動(dòng)導(dǎo)軌。同時(shí)，為提高傳動(dòng)剛度和消除間隙，采用預(yù)加負(fù)載的滾動(dòng)導(dǎo)軌和滾珠絲杠副機(jī)構(gòu)。齒輪傳動(dòng)也要采用消除齒側(cè)間隙的消隙齒輪結(jié)構(gòu)。 12 設(shè)計(jì) XY 數(shù)控工作臺(tái)及其控制系統(tǒng) 計(jì)任務(wù)及參數(shù)在任務(wù)書(shū)中已經(jīng)給出。系統(tǒng)總體方案見(jiàn)圖 11 根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)的要求，采用連續(xù)控制系統(tǒng)和步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。這樣可使控 制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉，調(diào)試和維修都比較容易。為確保數(shù)控系統(tǒng)的傳動(dòng)精度和工作平穩(wěn)性，盡量采用低摩擦的傳動(dòng)和導(dǎo)向元件。此工作臺(tái)采用滾珠絲杠螺母副和滾動(dòng)導(dǎo)軌。為盡量消除傳動(dòng)間隙，可設(shè)法調(diào)整傳動(dòng)齒輪的中心距以消除齒側(cè)間隙。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)仍采用高性能價(jià)格比的 MCS51 系列單片機(jī)擴(kuò)展系統(tǒng)。 Y向 微 機(jī) 機(jī) 光電隔離 功率放大 步進(jìn)電機(jī) 上拖板 6 X向 圖 11 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車(chē)床總體方案框圖 第二章 CA6140 車(chē)床 進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分 設(shè)計(jì)計(jì)算 一臺(tái) CA6140 普通車(chē)床改造成微機(jī)數(shù)控車(chē)床，采用 MCS51系列單片機(jī)控制系統(tǒng)，步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)控制，具有直線和圓弧插補(bǔ)功能，具有升降速控制功能。其主要設(shè)計(jì)參數(shù)如下： 加工最大直徑：在床面上 φ 400 ㎜ 在床鞍上 φ 210 ㎜ 加工最大長(zhǎng)度： 1000 ㎜ 溜板及刀架重力： 縱向 1000N 橫向 600N 刀架快速速度 : 縱向 橫向 最大進(jìn)給速度 : 縱向 橫向 主電機(jī)功率 起動(dòng)加速時(shí)間 30ms 機(jī)床定位精度 : 177。 伺服系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計(jì)計(jì)算內(nèi)容包括：確定系統(tǒng)的負(fù)載、確定系 統(tǒng)脈沖當(dāng)量，運(yùn)動(dòng)部件慣量計(jì)算，空載起動(dòng)及切削力計(jì)算，確定伺服電機(jī)，傳動(dòng)及導(dǎo)向元件的設(shè)計(jì)、計(jì)算及選用，繪制機(jī)械部分裝配圖及零件工作圖。現(xiàn)分述如下： 光電隔離 功率放大 步進(jìn)電機(jī) 下拖板 7 21 系統(tǒng)脈沖當(dāng)量的選擇 一個(gè)進(jìn)給脈沖，使機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件產(chǎn)生位移量，也稱為機(jī)床的最小設(shè)定單位。脈沖當(dāng)量是衡量數(shù)控機(jī)床加工精度的一個(gè)基本技術(shù)參數(shù)。經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車(chē)床銑床常采用的脈沖當(dāng)量是 ～ 。 根據(jù)機(jī)床精度要求確定脈沖當(dāng)量，縱向： ，橫向： 。 22 切的計(jì)算削力 在設(shè)計(jì)機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)時(shí)，計(jì)算傳 動(dòng)和導(dǎo)向元件，選用伺服電機(jī)等都需要用到切削力，下面介紹數(shù)控車(chē)床中的切削力的計(jì)算。 主切削力 Fz (N)按經(jīng)驗(yàn)公式估算 : ZF = =179。 =5360 按切削力各分力比例： ::1:: ?YXZ FFF XF =5360179。 =1340 YF =5360179。 =2144 主切削力 )(39。 NFZ 可取縱切的 1/2. 26 802139。 ??ZZ FF 此時(shí)走刀抗力為 39。YF (N),吃刀抗力為 )(39。 NFZ .仍按上述比例粗略計(jì)算 : 39。ZF : 39。YF : 39。XF =1:: 39。YF =2680179。 =670 39。XF =2680179。 =1072 8 23 滾珠絲杠螺母副的計(jì)算和選型 滾珠絲杠螺母副的設(shè)計(jì)首先要選擇結(jié)構(gòu)類(lèi)型：確定滾珠循環(huán)方式，滾珠絲杠副的預(yù)緊方式。結(jié)構(gòu)類(lèi)型確定之后，再計(jì)算和確定其他技術(shù)參數(shù)，包括：公稱直徑 d0（絲杠外徑 d）、導(dǎo)程 L0、滾珠的工作圈數(shù) j、列數(shù) K、精度等級(jí)等。 滾珠循環(huán)方式可分為外循環(huán)和內(nèi)循環(huán)兩大類(lèi)，外循環(huán)又分為螺旋槽式和插管式。如參考書(shū) [1]中的圖 44 所示。我們?cè)诖诉x用螺旋槽式外循環(huán)：在螺母外圓上銑出螺旋槽，槽的兩端鉆出通孔，同螺母的螺紋滾道相切，形成滾珠返回通道。為防止?jié)L珠脫落，螺旋槽用鋼套 蓋住。在通孔口設(shè)有擋珠器，引導(dǎo)滾珠進(jìn)入通孔。擋珠器用圓鋼彎成弧形桿，并焊上螺栓，用螺帽固定在螺母上。它的優(yōu)點(diǎn)是：工藝簡(jiǎn)單，螺母外徑尺寸較小。缺點(diǎn)是：螺旋槽同通孔不易連接準(zhǔn)確，擋珠器鋼性差、耐磨性差。 滾珠絲杠副的預(yù)緊方法有：雙螺母墊片式預(yù)緊、雙螺母螺紋式預(yù)緊、雙螺母齒差式預(yù)緊、單螺母變導(dǎo)程預(yù)緊以及過(guò)盈滾珠預(yù)緊等。 本設(shè)計(jì)采用雙螺母螺紋式預(yù)緊結(jié)構(gòu)，它通過(guò)調(diào)整端部的圓螺母，使螺母產(chǎn)生軸向位移。其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)較緊湊，工作可靠，滾道磨損時(shí)可隨時(shí)調(diào)整，預(yù)緊量不很準(zhǔn)確，應(yīng)用較普遍。 一、 縱向進(jìn)給絲杠 mF (N) 作用在滾珠絲杠上的進(jìn)給率引力主要包括切削時(shí)的走刀抗力以及移動(dòng)部件的重量和切削分力作用在導(dǎo)軌上的摩擦力。因而其數(shù)值大小和導(dǎo)軌的型式有關(guān)。 縱向進(jìn)給為綜合型導(dǎo)軌 由前所知： XF =1340 N ZF =5360 N G =1000 N K = 39。f = 得： mF (N)= K XF + 39。f ( ZF +G) =179。 1340+179。 (5360+1000)=2559 N 式中 K — 考慮顛復(fù)力矩影響的實(shí)驗(yàn)系數(shù) ,綜合導(dǎo)軌取 K=。 39。f 滑動(dòng)導(dǎo)軌摩擦系數(shù) :～ 。 G 溜板及刀架重力 : G =1000 N. 9 c 利用滾珠絲杠副的直徑 d0時(shí)，必須保證在一定軸向負(fù)載作用下，絲杠在回轉(zhuǎn) 100 萬(wàn)轉(zhuǎn)（ 106 轉(zhuǎn)）后在它的滾道上不產(chǎn)生點(diǎn)蝕現(xiàn)象。這個(gè)軸向負(fù)載的最大值即稱為該滾珠絲杠能承受的最大動(dòng)負(fù)載 C，可以用下式計(jì)算： c = mwFfL3 L =61060 Tn?? 01000L un s?? 式中 0L 滾珠絲杠導(dǎo)程 ,初選 0L =6㎜ 。 su 最大切削力下的進(jìn)給速度，可取最高進(jìn)給速度的 ( 21 ～ 31 ),此處su =T 使用壽命 ,按 15000h。 wf 運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)，按一般運(yùn)轉(zhuǎn)取 wf =～ 。 L 壽命，以 106 轉(zhuǎn)為 1個(gè)單位。 將數(shù)據(jù)分別帶入 上 式得： 01000L un s?? = 6 ?? =50r/min L =61060 Tn??=610 150005060 ??=45 ?c mwFfL3 =345 179。 179。 2559=10799 N 查閱附錄 A 表 3,可采用 W1 L3506外循環(huán)螺紋調(diào)整預(yù)緊的雙螺母滾珠絲杠副 ,1列 圈 ,其額定動(dòng)負(fù)載為 16400 N,精確等級(jí)按表 415選為 3級(jí) (大致相當(dāng)于老標(biāo)準(zhǔn) E 級(jí) ). 滾珠絲杠螺母副的傳動(dòng)效率為： η =)( ????tgtg 式中 ? — 螺旋升角 , W1 L3506 ? =3176。 39′ 10 ? 摩擦角取 10′滾動(dòng)摩擦系數(shù) ～ 將各數(shù)據(jù)帶入 上 式得 ： η =)( ????tgtg= )39。1039。73( 39。730 ??tg tgo 滾珠絲杠副的軸向變形會(huì)影響進(jìn)給系統(tǒng)的定位精度及運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性因此應(yīng)考慮以下引 起軸向變形的因素：絲杠的拉伸或壓縮變形量；滾珠與螺紋滾道間的接觸變形；支承滾珠絲杠的軸承的軸向接觸變形；滾珠絲杠的扭轉(zhuǎn)變形引起導(dǎo)程的變化量；和螺母座及軸承支座的變形。最后一種常為滾珠絲杠副系統(tǒng)剛度的薄弱環(huán)節(jié)，但變形量計(jì)算較為困難，一般根據(jù)其精度要求，在結(jié)構(gòu)上盡量增強(qiáng)其剛度而不作計(jì)算。 因此滾珠絲杠副剛度的驗(yàn)算，主要是前三種變形量，他們的和應(yīng)不大于機(jī)床精度要求允許變形量的一半，否則，應(yīng)考慮選用較大直徑的滾珠絲杠副。 先畫(huà)出縱向進(jìn)給滾珠絲杠支承方式草圖如圖 21 所示。最大牽引力為 2559 支撐間距 L =1500 ㎜，絲杠螺母及軸承均進(jìn)行預(yù)緊，預(yù)緊力為最大軸向負(fù)荷的 31 。 圖 21 （ 1）絲杠的拉伸或壓縮變形量 1? 查圖 46，根據(jù) mP =2559 N， OD =35 ㎜， *查出 LL/? =*105? ，可算出： LL?? ?1179。 1500=179。 105? 179。 1500=179。 102? （㎜） . 11 由于兩斷均采用向心推力球軸承，且絲杠又進(jìn)行了預(yù)拉伸 ,故其剛度可以提高 4倍。其實(shí)際變形量